关于高层建筑结构设计特点及体系分析

　　摘要：本文围绕着高层建筑结构，总结了高层建筑结构设计的特点以及提出了高层建筑结构分析和各种体系相对应的方法，为实际高层建筑结构分析与设计提供一定参考。

　　关键词：高层建筑结构,结构体系,结构分析

　　近年来，高层建筑越来越多，越来越多的人在设计中遇到高层建筑。掌握高层设计的要点是我们每个结构设计人员所必须的。

　　经过笔者这些多年来的设计实践，发现在高层建筑结构设计过程中经常出现一些遗漏或错误。为了避免在钢筋混凝土高层结构设计过程中少犯或不犯这些错误，现将这些常常出现的问题总结如下:

　　1 高层建筑结构设计特点

　　1.1 水平荷载成为决定因素

　　因为楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的1次方成正比;而水平荷载对结构产生的倾覆力矩，以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的2次方成正比;所以对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

　　1.2 轴向变形不容忽视

　　在高层建筑中，竖向荷载数值很大，能够在柱中引起较大的轴向变形，从而会对连续梁弯矩产生影响，造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩之和端支座负弯矩值增大;还会对预制构件的下料长度产生影响，要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整。

　　1.3 侧移成为控制指标

　　它与较低楼房不同的是，结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

　　1.4 结构延性是重要设计指标

　　相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。

　　2 根据不同类型高层建筑，选择合理的结构体系

　　2.1 结构的规则性问题

　　新旧规范在这方面的内容出现了较大的变动，新规范在这方面增添了相当多的限制条件，例如:平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等，而且，新规范采用强制性条文明确规定建筑不应采用严重不规则的设计方案。因此，结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。

　　2.2 结构的超高问题

　　在抗震规范与高规中，对结构的总高度都有严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度的建筑外，增加了B级高度的建筑，因此，必须对结构的该项控制因素严格注意，一旦结构为B级高度建筑甚或超过了B级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。

　　2.3 嵌固端的设置问题

　　由于高层建筑一般都带有二层或二层以上的地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，在这个问题上，结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面，如:嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题，而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

　　2.4 短肢剪力墙的设置问题

　　在新规范中，对墙肢截面高厚比为5～8的墙定义为短肢剪力墙，且根据实验数据和实际经验，对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制，因此，在高层建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

　　3 高层建筑结构分析

　　3.1 高层建筑结构分析的基本假定

　　高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、剪力墙、筒体等)通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定。

　　3.11 弹性假定

　　目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下，结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时，高层建筑结构往往会产生较大的位移，出现裂缝，进入到弹塑性工作阶段。

　　3.12 小变形假定

　　小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题(PΔ效应)进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度H的比值△/H>1/500时，PΔ效应的影响就不能忽视了。

　　3.13 刚性楼板假定

　　许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度，简化了计算方法。并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。但是，对于竖向刚度有突变的结构，楼板刚度较小，主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况，楼板变形的影响较大。特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。

　　3.14 计算图形的假定

　　高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调(竖向位移和转角的协调)，而且，忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的简体结构也是不妥当的。三维空间分析的普通杆单元每一节点有6个自由度，按符拉素夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有7个自由度。

　　3.2 高层建筑结构静力分析方法

　　3.21 框架一剪力墙结构

　　框架一剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同，各种方法解答的具体形式亦不相同。

　　3.22 剪力墙结构

　　剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、特殊开洞墙、框支墙等各种类型。不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同，计算内力与位移时需采用相应的计算方法。剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。

　　3.23 筒体结构

　　筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类:等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析，这里主要讨论三维空间分析。

　　等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。一种是只作几何分布上的连续化，以便用连续函数描述其内力;另一种是作几何和物理上的连续处理，将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板，以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。类:等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析，这里主要讨论三维空间分析。

　　比等效连续化和等效离散化更为精确的计算模型是完全按三维空间结构来分析简体结构体系，其中应用最广的是空间杆薄壁杆系矩阵位移法。这种方法将高层结构体系视为由空间梁元、空间柱元和薄壁柱元组合而成的空间杆系结构。空间梁柱每端节点有6个自由度。核心筒或剪力墙的墙肢采用符拉索夫薄壁杆件理论分析，每端节点有7个自由度，比空间杆增加一个翘曲自由度，对应的内力是双弯矩。三维空间分析精度较高，但它的未知量较多，计算量较大，在不引入其它假定时，每一楼层的总自由度数为6NC+7NW(NC、NW为柱及墙肢数目)。通常均引入刚性楼板假定，并假定同一楼面上各薄壁柱的翘曲角相等，这样每一楼层总自由度数降为3(NC+NW)+4，目前这是工程上采用最多的计算模型。

　　4 结语

　　总之，随着高层建筑规模和型式的不断发展，追求结构形式新颖、受力合理的目标将是结构设计工作者的目标和方向。作为结构工程师，高层建筑结构设计中应根据实际情况做好结构分析，多做方案比较，加强优化设计的实施，高层建筑的结构设计不仅应保证高层建筑具有足够的安全性，还应保证结构的经济性、合理性。

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文章名称： 关于高层建筑结构设计特点及体系分析

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